БИЛЕТ № 34. Алюминий. Свойства. Применение. Получение

Алюминий легкий серебристо-белый металл. В чистом виде алюминий мягок, обладает высокой пластичностью, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления составляет 657 °С. Уникальность алюминия заключается в совокупности ценных свойств: легкость (плотность 2,7 г/см³), высокая электропроводность, повышенная коррозионная стойкость и др. Он не реагирует с водой, концентрированной азотной кислотой, в которой происходит упрочнение оксидной пленки (пассивирование), поэтому для хранения и транспортировки той кислоты используются емкости и цистерны из алюминия. Алюминий разрушается щелочами, соляной и серной кислотами.

Широко применяют алюминиевые покрытия, которые различными способами наносят на стальные изделия для повышения их коррозионной стойкости.

Одним из ценных свойств алюминия является его высокая электропроводность, равная 60 % проводимости чистой меди, и так как алюминий в три с лишним раза легче меди, то алюминиевые шины и провода в два раза легче медных при одинаковой электропроводности. В электротехнике используется около 10 % получаемого алюминия.

Широкое применение алюминий получил в химической промышленности для изготовления различных емкостей и аппаратуры для хранения и производства жиров, спиртов и других веществ, в пищевой промышленности (алюминий нетоксичен) - для изготовления аппаратуры, посуды, фольги. В строительстве чистый алюминий как конструкционный материал используется мало ввиду невысокой прочности. В этих целях применяют сплавы алюминия.

Производство алюминия

Из многочисленных минералов, содержащих алюминий, исходным сырьем являются бокситы, нефелины, алуниты, каолины.

Бокситы содержат в основном 50-60 % А1₂О₃, 10-30 % Н₂О, 1-15 % SiО₂, 2-25 % Fe₂О₃, 2-4 % TiО₂. Нефелин отвечает формуле 3Na₂O·K₂O·Al₂О₃·9SiО₂. Богатейшие запасы нефелина в нашей стране имеются на Кольском полуострове в виде апатито-нефелиновых пород. Алунитам отвечает формула K₂SО₄·A1₂(SО₄)₃·4A1(ОH)₃; залегают в России, США, Италии, Австралии, Корее. Каолины содержат до 40 % А1₂О₃.

Глинозем получают несколькими способами, выбор которого определяется составом природного сырья, содержащего алюминий.

Наиболее распространенный мокрый щелочной способ (Байера) применяется для переработки высокосортных бокситов с низким содержанием кремнезема (до 5-6 %). По способу Байера боксит выщелачивают в концентрированным раствором гидроксида натрия в автоклавах (стальных герметичных сосудах) при температуре 250 °С и давлении 2500-3000 кПа. При этом алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия (NaA1О₂). Далее алюминатные растворы в специальных аппаратах с мешалкой разбавляют воюй, при этом вводят небольшое количество А1(ОН)₃, играющего роль затравки (центров кристаллизации). В результате процесса гидролиза образуется гидроксид алюминия, который после промывки фильтруют и обжигают до полного обезвоживания:

2А1(ОН)₃ →А1₂О₃ + ЗН₂О.

По второму способу (способ Яковкина) высококремнистую измельченную руду (нефелин или боксит с повышенным содержанием кремнезема) смешивают с содой и известняком и спекают во вращающихся печах при температуре 1250-1300 °С. В результате получаются окатыши, содержащие метаалюминат натрия, а также не растворимые в воде двухклльциевый силикат 2CaO·SiО₂, метаферрит натрия Na₂O·Fe₂О₃ и другие соединения.

Далее спек выщелачивают содовым раствором, переводя алюминат натрия в раствор, и разлагают алюминат газообразным СО₂:

2NaA1О₂ + СО₂ + ЗН₂О → 2А1(ОН)₃ + Na₂CО₃

Полученный А1(ОН)₃ отделяют от раствора и прокаливают при температуре 1200 °С. При переработке нефелина наряду с глиноземом получают Na₂CО₃, K₂CО₃ и цемент. Полученный глинозем А1₂О₃ для получения алюминия подвергают электролизу. Алюминий, так же как натрий, калий и другие щелочные и шелочно-земельные металлы, имеющие наиболее электроотрицательные электродные потенциалы, может быть получен только электролизом расплавленных соединений. Однако глинозем имеет очень высокую температуру плавления 2050 °С, т.е. близкую к температуре кипения алюминия (2452 °С). Для снижения температуры, при которой ведут процесс электролиза (950 °С), глинозем растворяют в расплавленном криолите Na₃[AlF₆]. Криолит в природе встречается крайне редко (Гренландия), поэтому его получают искусственно.

Сырьем для получения криолита является плавиковый шпат CaF₂, который нагревают во вращающихся печах с серной кислотой, получая при этом сульфат кальция и фтористый водород:

CaF₂ + H₂SО₄ → CaSО₄ + 2HF

Затем в очищенную плавиковую кислоту вводят гидроксид алюминия в количестве, необходимом для протекания реакции:

12HF + 2А1(ОН)₃ → 2H₃A1F₆ + 6H₂О

Полученную H₃A1F₆ нейтрализуют содой с получением криолита:

2H₃A1F₆ + 3Na₂CО₃ → 2Na₃[AlF₆] + 3H₂О + 3CО₂

Электролиз глинозема ведут в ваннах очень сложной конструкции (электролизеры), в которых катодом служит подина ванны, а анодом - самообжигающиеся угольные блоки, погруженные в расплавленный электролит.

На рисункепредставлена схема одной из существующих конструкций электролизной ванны, которая состоит из стального кожуха, выложенного изнутри шамотным кирпичом. Подина и стены ванны составлены из углеродистых блоков, к которым подведены катодные шины. Собственно катодом и является поверхность жидкого алюминия. Самообжигающиеся угольные аноды по мере сгорания опускаются и наращиваются сверху за счет размягченной угольной массы.

Упрощенно, как один из вариантов процессов, протекающих на электродах при электролизе, можно представить следующую схему. В расплавленном электролите происходит диссоциация криолита и глинозема:

Na₃[AlF₆] = 3Na⁺ + AlF₆^3-

А1₂О₃ = А1³⁺ + АlO₃^3-

На катоде при электролизе восстанавливаются ионы А1³⁺ с образованием металлического алюминия:

А1³⁺ + Зе = А1.

Рис. Схема электролизера с самообжигающимися анодами:

1 - угольные плиты; 2 - огнеупорный кирпич; 3 - кожух; 4 - стальные штыри;

5 - токоподводящие шины; 6 - алюминиевая рама анода; 7 - анод; 8 - рама;

9 - анодная масса; 10 - угольные блоки; 11 - катодный токоподвод; 12 – гарниссаж.

Температуру электролита поддерживают 940-960 °С. В этих условия поверхность электролита всегда покрывается коркой А1₂О₃. Подобный же слой из застывшего электролита образуется на боковой поверхности футеровки ванны (гарниссаж). Такой гарниссаж предохраняет футеровочные материалы от разрушающего действия расплавленного электролита, утепляет ванну и предупреждает утечку тока через угольную футеровку.

Алюминиевая промышленность существует более 100 лет. Однако дo сих пор не создана научно обоснованная единая теория электролиза криoлито-глиноземных расплавов вследствие сложности как состава электролита, так и протекающих на электродах процессов.

На аноде в результате процесса окисления образуется газообразный кислород:

4АlO₃^3- - 12 e = 2А1₂О₃ + 3О₂

который вызывает постепенное сгорание угольных анодов. Жидкий алюминий, который накапливается на дне ванны, периодически (каждые 1 - 2 суток) отбирают сифоном или вакуум-ковшом. Чистота электролитического алюминия составляет 98,5-99,8 %. Сырой металл сначала переплавляют, а затем подвергают электролитическому рафинированию, при этом достигается чистота алюминия 99,9 %. Особо чистый алюминий, используемый в электронной технике, получают зонной плавкой.